Matrice par blocs - Inverser - Schur

Bonjour
J'ai un exercice que je n'arrive pas à terminer, malgré les efforts passés (je débute en algèbre linéaire).
Voilà le problème.

Soit la matrice définie par blocs $M=\begin{smallmatrix}A&B\\C&D\end{smallmatrix}$, on suppose que $A$ est une matrice carrée et il faut montrer que $M$ est inversible si et seulement si $D-CA^{-1}B$ est inversible puis il faut calculer $M^{-1}$.

J'ai réussi à montrer la première implication, c'est-à-dire que : $M$ inversible $\implies (D-CA^{-1}B$ mais je n'arrive pas à montrer la seconde implication $(D-CA^{-1}B) \implies M$ inversible.
Je galère d'autant que notre cours contient de nombreuses définitions abstraites (vive l'algèbre linéaire, vive les maths !) mais, par exemple, celle qui définit ce qu'est un déterminant ne s'y trouve pas.
Merci de me mettre sur la piste.
J'ai trouvé des résolutions de ce problème sur Internet mais elles mettent en œuvre des théories que je n'ai pas encore abordées.
En gros, on nous demande de faire du feu avec un bout de bois ... et nos mains.
Je ne désespère pas et me dit que de nombreux étudiants sont passés par là.
Merci de votre aiguillage.

Réponses

  • Bonjour,

    Soit $n, m \in \N^*$ deux entiers non nuls et $A \in M_{n,n}(K), B \in M_{n,m}(K), C \in M_{m,n}(K), D \in M_{m,m}(K)$ quatre matrices.

    Théorème : Le déterminant d'une matrice carrée triangulaire par blocs est le produit des déterminants de ses blocs diagonaux - au signe près.

    Ajout : comme je ne connais pas la démonstration, je ne connais pas le signe... mais bon, on doit pouvoir trouver ça dans un livre.

    Si on suppose la matrice carrée $A$ inversible, alors on calcule $\displaystyle \begin{pmatrix} A&B \\ C&D\end{pmatrix} \begin{pmatrix} -A^{-1}B&I_{n,n} \\ I_{m,m}&O\end{pmatrix} =\begin{pmatrix} O&A \\ D-CA^{-1}B & C \end{pmatrix} $ et donc $\displaystyle det(M) det(I_{m,m})det( I_{n,n}) =\pm \det(D-CA^{-1}B) det(A).$

    Si la matrice carrée $M$ est inversible, alors $\det(M) \neq 0$ et donc, puisque $\det(A)\neq 0$, on a nécessairement $\displaystyle \det(D-CA^{-1}B) \neq 0$ : la matrice carrée $\displaystyle D-CA^{-1}B$ est inversible.

    Si la matrice carrée $\displaystyle D-CA^{-1}B$ est inversible, alors $\displaystyle \det(D-CA^{-1}B) \neq 0$ et donc, nécessairement, $\det(M) \neq 0$ : la matrice carrée $M$ est inversible.
  • Serais-tu en train de dire que pour $a$ scalaire non nul et $b$ quelconque, \[\det\begin{pmatrix}-a^{-1}b&1\\1&0\end{pmatrix}=1\;?\]Question plus sérieuse : comment motiver ce calcul par blocs pour DrShiva qui n'en peut mais ? (Indice : algorithme du pivot de Gauss.)
  • Bonjour,

    C'est effectivement ce que j'ai écrit. C'est sans doute vrai au signe près, non ? Donc à un facteur $(-1)^{n+m}$ des deux côtés de l'équation, non ? Si tu confimes, je modifie mon poste.
  • En effet : la relation est vraie pour les matrices triangulaires par blocs quand le triangle est convenablement placé (avec le « grand » bord du triangle sur la diagonale). Pour s'y ramener, on peut faire des permutations de lignes, par exemple, ce qui induit des signes – a priori c'est plutôt $mn$ le signe qui apparaît : il faut faire passer les $m$ lignes du bas par dessus les $n$ premières.
  • Merci Messieurs,

    En effet pour la démonstration telle que je l'ai commencée, pour montrer la deuxième implication, il fallait utiliser la même technique que la première mais dans l'autre sens ... enfin je crois...
    Dans tout ce que j'ai pu lire à propos, il me semble avoir vu une démonstration assez jolie qui partait de la fonction de transformation puis parlait d'endomoprphisme avant de conclure...
    Chaque chose en son temps et encore merci pour votre aide :)
  • Merci Side
    Je me demande comment faisaient les gens avant ... c'est-à-dire sans Internet ... ? FUZHEN ZHANG
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